Las naves Voyager de la NASA han realizado la primera detección de ráfagas de electrones de rayos cósmicos acelerados por ondas de choque que se originan en grandes erupciones en el Sol.
Un equipo de físicos de la Universidad de Iowa, compuesto por D. A. Gurnett1, W. S. Kurth1, E. C. Stone, A. C. Cummings, B. Heikkila, N. Lal, S. M. Krimigis, R. B. Decker, N. F. Ness, and L. F. Burlaga ha dado a conocer el hallazgo en el Astronomical Journal a través de una publicación que han titulado «A Foreshock Model for Interstellar Shocks of Solar Origin: Voyager 1 and 2 Observations»
Las Voyager –que salieron de la Tierra en 1977– continúan alejándose a través del espacio interestelar, lo que las convierte en las primeras naves en registrar esta física única en el reino entre las estrellas.
El Abstract del trabajo plantea: Las naves espaciales Voyager 1 (V1) y Voyager 2 (V2) se lanzaron en 1977 con la misión de explorar los planetas exteriores y alcanzar la heliopausa, el límite entre el plasma solar caliente y el plasma interestelar relativamente frío. V1 alcanzó la heliopausa el 25 de agosto de 2012, a 121,6 au (unidades astronómicas: distancia media entre la Tierra y el Sol), y V2 alcanzó la heliopausa el 5 de noviembre de 2018, a 119,0 au. Uno de sus descubrimientos notables fue la detección de choques que se propagaban al plasma interestelar a partir de eventos solares energéticos. Estos choques suelen estar precedidos por oscilaciones de plasma de electrones excitadas por haces de electrones que fluyen a lo largo de las líneas del campo magnético interestelar antes de los choques.
Las frecuencias de las oscilaciones del plasma ahora han proporcionado perfiles radiales de densidad de electrones en la heliosfera exterior y en el medio interestelar a distancias radiales de más de 145 au. Las oscilaciones suelen estar precedidas por ráfagas de electrones de alta energía de ~ 5–100 MeV (megaelectrón voltio). Estas explosiones de electrones se interpretan como debidas a la reflexión (y aceleración) de los electrones de rayos cósmicos por el choque en el momento en que el choque contacta por primera vez con la línea del campo magnético que atraviesa la nave espacial.
El tiempo relativo entre los rayos cósmicos reflejados por el choque y el inicio de las oscilaciones del plasma nos permite, por primera vez, estimar la energía, ~ 20–100 eV, de los haces de electrones responsables de las oscilaciones del plasma. Estas observaciones se combinan en un modelo autoconsistente llamado modelo de premonición que describe la interacción de los choques de origen solar con el plasma interestelar.
Dicho de otro modo, estos estallidos de electrones recién detectados son como un guardia avanzado acelerado a lo largo de las líneas del campo magnético en el medio interestelar; los electrones viajan casi a la velocidad de la luz, unas 670 veces más rápido que las ondas de choque que inicialmente los propulsaron. Las explosiones fueron seguidas por oscilaciones de ondas de plasma causadas por electrones de menor energía que llegaron a los instrumentos de las Voyager días después y, finalmente, en algunos casos, la propia onda de choque hasta un mes después.
Las ondas de choque emanaron de eyecciones de masa coronal, expulsiones de gas caliente y energía que se mueven hacia afuera desde el sol a aproximadamente un millón de millas por hora. Incluso a esas velocidades, las ondas de choque tardan más de un año en llegar a la nave espacial Voyager, que se ha alejado más del Sol (más de 22.500 millones de kilómetros y contando) que cualquier objeto creado por humanos.
«Lo que vemos aquí específicamente es un cierto mecanismo por el cual cuando la onda de choque contacta por primera vez con las líneas del campo magnético interestelar que atraviesan la nave espacial, refleja y acelera algunos de los electrones de los rayos cósmicos», dice Don Gurnett, profesor emérito de física y astronomía en Iowa y el autor correspondiente del estudio. «Hemos identificado a través de los instrumentos de rayos cósmicos que estos son electrones que fueron reflejados y acelerados por choques interestelares que se propagan hacia afuera a partir de eventos solares energéticos en el Sol. Ese es un nuevo mecanismo», especificó.
El descubrimiento podría ayudar a los físicos a comprender mejor la dinámica que sustenta las ondas de choque y la radiación cósmica que provienen de las estrellas en erupción (cuyo brillo puede variar brevemente debido a la actividad violenta en su superficie) y las estrellas en explosión. Sería importante tener en cuenta la física de tales fenómenos al enviar astronautas en excursiones lunares o marcianas extendidas, por ejemplo, durante las cuales estarían expuestos a concentraciones de rayos cósmicos que exceden con creces las que experimentamos en la Tierra.
Los físicos creen que estos electrones en el medio interestelar se reflejan en un campo magnético reforzado en el borde de la onda de choque y posteriormente son acelerados por el movimiento de la onda de choque. Los electrones reflejados luego giran en espiral a lo largo de las líneas del campo magnético interestelar, ganando velocidad a medida que aumenta la distancia entre ellos y el impacto.
«La idea de que las ondas de choque aceleran las partículas no es nueva», dice Gurnett. «Todo tiene que ver con cómo funciona, el mecanismo. Y el hecho de que lo detectamos en un nuevo reino, el medio interestelar, que es muy diferente al viento solar donde se han observado procesos similares. Nadie antes lo ha visto con una onda de choque interestelar, en un medio prístino completamente nuevo», de ahí su trascendencia como hecho científico.
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